大跨度连续箱梁主墩顶0#块有限元模拟分析

张 伟

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 概述

采用对称节段悬臂浇筑施工[1-2]的预应力连续箱梁桥，在施工过程中需进行体系转换，经过一系列施工阶段逐渐形成最终的连续梁体系[3-6]。施工过程中0#块临时固结于墩顶，向两端逐节段对称悬浇，形成T形刚构受力状态，合龙后拆除临时固结形成连续梁桥。恒载产生的内力由各个施工阶段产生的内力叠加而成，连续梁根部主墩顶截面弯矩很大，跨中截面弯矩小，因此，截面尺寸根据弯矩分布特点从跨中至根部逐渐变高。大跨度变截面预应力连续箱梁，通常考虑采用三向预应力体系，0#块内力大、梁体高、钢筋分布密集、预应力钢束分布集中，同时受横隔梁与人洞等结构影响，受力复杂[7-10]，施工控制难度大。本文对某主跨90 m的三跨预应力连续箱梁0#块进行局部受力分析，探讨受力薄弱点，并提出处理措施，为其他类似工程提供参考。

2 工程概况

江门市某在建大桥主桥采用(55+90+55)m跨变截面预应力混凝土连续箱梁，挂篮悬浇施工，边中跨比值为0.61。箱梁采用C55混凝土，单箱单室断面，顶板宽为13 m，底板宽为7 m，两侧悬臂翼缘板长为3 m；箱梁根部梁高为5.3 m，跨中及边跨现浇段梁高为2.5 m，箱梁梁高按2次抛物线变化；箱梁腹板厚度1～7号块为70 cm，8号块腹板厚为70～50 cm，9～11号块腹板厚为50 cm；箱梁顶板厚为28 cm；箱梁底板厚度变化采用2次抛物线，由箱梁根部80 cm渐变到跨中30 cm；边跨现浇段底板厚度为30 cm，腹板厚度由50 cm渐变到70 cm。箱梁横坡由腹板高度调整，顶板横向设置2%的横坡，底板保持水平。0#块一般构造如图1所示。

图1 0#块横断面示意(单位：mm)

箱梁采用三向预应力体系，预应力钢束采用Φs15.2高强低松弛钢绞线，钢绞线标准强度fpk=1 860 MPa。顶板钢束布置以平弯线型为主，锚固端附近采用局部竖弯，分批锚固在箱梁腋托内；腹板钢束布置以竖弯线型为主，分批锚固在箱梁腹板内；底板钢束采用平、竖弯结合布置。竖向预应力钢筋布置于箱梁腹板内，在箱梁顶板上进行单端张拉，采用二次张拉锚固体系。横向预应力钢筋布置于箱梁顶板内，在箱梁悬臂端部上进行交替单端张拉。

3 有限元建模分析

3.1 分析的目的及要求

悬臂浇筑的连续梁桥为无支架施工方式，施工便捷且经济。悬臂浇筑连续梁桥的0#块作为主要承重部分，结构形状复杂，在施工伊始便作为构件承受荷载且历经数次结构体系的变化，应力状态复杂，局部甚至存在3向受拉的情况，对抗裂性要求较高,并且0#块在悬臂浇筑的施工过程中是应变监测的重点部位，需要有精确的应力计算结果作为指导[10]。在设计中通常采用的梁单元计算的分析结果在该部位难以反应局部应力情况,因此，有必要进行空间实体分析，指导设计与施工。

实体分析模型能够直观反应桥梁在各种状态下的各部位应力状态。本文以实际工程为背景，分析在施工最大悬臂状态下零号块纵向、横向及竖向正应力和主拉应力、主压应力等受力情况。

3.2 建立有限元模型

对大跨度桥梁进行局部受力分析时，可采用梁单元进行整体计算，取局部单元剖面上的内力及位移，作用于局部单元端截面进行局部分析[11-12]。根据弹性力学的圣维南原理[13-14]可知，0#块的应力分布只与其附近区域的应力状态有关，远离0#块的区域中的应力状态，对0#块的应力分布影响很小，一般可忽略不计。故本次局部计算分析采用Midas FEA有限元软件，选取0#～2#节段建立三维实体模型进行空间应力分析。整体计算模型见图2，局部实体有限元分析模型及边界条件见图3，局部模型预应力钢束布置见图4。

图2 整体计算模型示意

图3 0#块实体有限元模型示意

图4 局部模型预应力钢束布置示意

局部分析模型在模型建立范围内考虑的荷载情况：

① 自重，软件自动考虑；

② 二期恒载：局部计算分析模型里面将二期恒载处理为面压力荷载进行加载；

③ 防撞护栏荷载：模型内采用面压力荷载的方式进行加载；

④ 预应力荷载：局部分析模型内建立该局部范围内的所有预应力钢束，预应力钢束均采用标准抗拉强度为1 860 MPa的钢绞线，按实际张拉控制力施加；

⑤ 边界荷载：根据Midas Civil整体计算模型提取2#块端面位置在短期荷载工况组合[15-16]下的轴力、剪力和弯矩包络结果，边界内力加载方式为在断面质心位置建立节点，并与该断面上所有其他的节点进行刚性连接，然后在该节点上加载提取出的边界荷载，边界荷载值见表1，边界荷载加载示意见图5。

表1 边界荷载结果

图5 局部模型边界荷载加载示意

3.3 0#块局部应力有限元分析结果

利用Midas FEA有限元软件建立实体三维模型，可以得到任意单元与节点的应力大小，提取纵、横、竖向应力、主应力，分析0#块应力集中状况。本文针对正常使用极限状态工况计算结果进行分析。

3.3.1纵向正应力

由0#块纵向应力云示意(见图6)可以看出，整个0#块纵向应力计算结果中有98.9%的计算结果数值为0.42～-12.29 MPa，最大拉应力数值为1.57 MPa，最大压应力数值为16.91 MPa；最大拉应力出现在横隔板上，最大压应力数值出现在支点附近以及端面处底板的角点附近。

图6 0#块纵向应力计算结果应力云示意(单位：MPa)

3.3.2横向正应力

由0#块横向应力云示意(见图7)可以看出，整个0#块横向应力计算结果中有98.3%的计算结果数值在1.29～-4.83 MPa之间，0#块横向应力计算结果中最大拉应力结果为1.97 MPa，最大压应力结果为8.90 MPa，拉应力值主要出现在支点附近区域内的外腹板和翼缘板交界处以及1#块底板附近，最大压应力数值出现在支点附近。

图7 0#块横向应力计算结果应力云示意(单位：MPa)

3.3.3竖向正应力

由0#块竖向应力云示意(见图8)可以看出，整个0#块竖向应力计算结果中有96.9%的计算结果在0.98～-5.43 MPa之间，其中最大拉应力数值为3.54 MPa，最大压应力数值为16.97 MPa，最大拉应力数值出现在横隔板人洞附近，而最大压应力数值出现在支点附近。

图8 0#块竖向应力计算结果应力云示意(单位：MPa)

3.3.4最大主拉应力

由0#块主拉应力云示意(见图9)可以看出，整个0#块主拉应力计算结果中有96.2%的计算结果在1.78～-2.47 MPa之间，其中最大拉应力数值为3.60 MPa，最大压应力数值为6.11 MPa，最大拉应力数值出现在横隔板人洞附近，而最大压应力数值出现在支点附近。

图9 0#块最大主拉应力计算结果应力云示意(单位：MPa)

3.3.5最大主压应力

由0#块主压应力云示意(见图10)可以看出，整个0#块竖向应力计算结果中有99.2%的计算结果在0.01～-12.88 MPa之间，其中最大拉应力数值为0.01 MPa，最大压应力数值为22.90 MPa，最大压应力数值出现在支点附近。

图10 0#块最大主压应力计算结果应力云示意(单位：MPa)

3.3.60#块横隔板处横向剖断面应力结果

纵向应力计算结果中拉应力主要出现在横隔板上，且基本沿着人洞呈圆形状态分布(见图11～12)；支点处横隔板横向剖断横向应力计算结果中，拉应力数值主要出现在支点处翼缘板与外腹板的交界处(见图13～14)；竖向应力计算结果中，压应力主要出现在支点处，且沿着腹板方向逐渐传向顶板(见图15～16)；最大主拉应力计算结果中，该剖断面大部分位置均处于受压状态，在人洞侧面区域内出现了部分拉应力(见图17～18)；最大主压应力计算结果中，该剖断面大部分位置均处于受压状态(见图19～20)。

图11 0#块横隔板横向剖面纵向应力云示意(单位：MPa)

图12 0#块横隔板横向剖面纵向应力云示意(单位：MPa)

图13 0#块横隔板横向剖面横向应力云示意(单位：MPa)

图14 0#块横隔板横向剖面横向应力云示意(单位：MPa)

图15 0#块横隔板横向剖面竖向应力云示意(单位：MPa)

图16 0#块横隔板横向剖面竖向应力云示意(单位：MPa)

图17 0#块横隔板横向剖面最大主拉应力云示意(单位：MPa)

图18 0#块横隔板横向剖面最大主拉应力云示意(单位：MPa)

图19 0#块横隔板横向剖面最大主压应力云示意(单位：MPa)

图20 0#块横隔板横向剖面最大主压应力云示意(单位：MPa)

4 结语

1)采用Midas Civil进行整体计算，得到局部内力，采用Midas FEA进行局部计算，得到的计算结果能够满足工程设计分析的精度需要，可以较好指导设计与施工。

2)由于未考虑普通钢筋的作用，在局部应力集中位置出现应力超限情况，在设计与施工过程中应特别注意横隔板、人洞、支撑点、外腹板与翼缘板交界等部位普通钢筋的设置。

3)在顶板出现较大横向拉应力，腹板出现较大竖向拉应力，设置横向、竖向预应力是合理。

4)人洞周围应力集中明显，注意加强人洞环筋的设置，施工过程加强控制，保证施工质量。

5)支座附近底板由于所受压力较大，会在支点附近产生较大的应力集中，故应该重视该处的局部承压计算，防止混凝土结构被压坏。

6)大跨径连续箱梁0#块受力复杂，施工过程中应加强监控。